基于单片机的USB数据采集器设计【毕业论文】.doc

1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于单片机的 USB数据采集器设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要 在计算机广泛应用的今天，数据采集在电子、军事、工业等多个领域有着十分重要的应用，它是计算机与外部物理世界连接的桥梁，具 有极其重要的研究意义。 传统的数据采集系统价格昂贵、安装麻烦、易受环境干扰，采集精度不高。本系统采用 USB 串行技术， 安装简单、便于携带、成本低廉、工作高效，抗干扰能力强，适用范围广，易于扩展，优势非常明显。 本文设计一个了基于单片机的 USB 数据采集系统，能采集并显示模拟和数字信号，并且能将采集的数据通过 USB

2、 接口传输到上位机。系统以单片机为核心，通过 USB 与 PC 机数据通信。主要作用于信号采集、测量和控制。 PC 机主要 实现的是温度数据在上位机上的数据处理功能。 本系统硬件分为 MCU、温度传感、 USB传输、液晶显示 、键盘输入五大模块。软件包括数据采集，键盘输入，液晶显示， USB四部分组成。 本系统以C8051F020单片机作为处理器，对温度传感器 DS18B20采集到的各种信号进行处理，再经由 CH375转换后送入 PC机，键盘输入模块可以控制系统工作状态，向系统输入数据， LCM1602能够对采集的信号进行显示。本 系统具有采集速度快、可靠性高、安装简易、人机交互良好等特点 ,

3、有效地实现了对温度数据的采集，具有良好的实用价值和发展前景。 关键词： 单片机； USB；数据采集 Abstract Today the computer has been used widely, data acquisition has a very important application on electronics, military, industrial and other fields It is a bridge which computer connected with the external physical between the world.It has Extr

4、emely important research significance. This article designed a USB data acquisition system based on MCU.It can capture and display analog and digital signals.And is able to transfer data captured to PC through the USB interface. MCU as the core system, data communication with the PC through the USB.

5、MCU major role in the signal acquisition, measurement and control.PC is the main achievement of the temperature data processing on the host computer. The system hardware is divided into MCU, temperature sensor, USB storage transfer,LCD,keyboard input five module.Software, including initialization, d

6、ata acquisition, keyboard input, LCD, USB four parts.Traditional data acquisition systems are expensive,Installation trouble,susceptible to environmental interference and acquisition accuracy is not high.This system uses the USB serial technology,installation is simple,portable,low cost,work efficie

7、ncy,anti-interference ability,wide application,easy to expand,advantage is obvious.The C8051F020 microcontroller as the processor system,temperature sensor DS18B20 collected on a variety of signal processing,Then transformed into the PC by CH375, Keyboard input module can control the system status,

8、input data to the system.LCM1602 can be displayed collection of signals and status.The system has a fast acquisition speed,high reliability,easy installation,and other interactive features of good,Effectively implemented of temperature data collection,has good practical value and development pros Ke

9、y words: MCU;USB;Data Acquisition 目 录 摘要 . 1 1 引言 . 4 1.1数据采集器 . 4 1.2数据采集的现状 . 4 1.3 USB数据采集器的优点 . 5 2 总体设计 . 6 2.1系统设计要求 . 6 2.2总体设计方案 . 6 3硬件设计 . 8 3.1 USB模块 . 8 3.1.1 CH375 . 8 3.1.2 USB 接口电路 . 9 3.2 MCU模块 . 9 3.2.1 C8051F020 . 9 3.2.2 时钟电路 . 10 3.2.3 复位电路 . 10 3.3 数据采集模块 . 11 3.3.1 模拟电压模块 . 11

10、3.3.2 温度采集模块 . 12 3.3.3 温度采集电路 . 13 3.4 液晶显示模块 . 13 3.4.1 LCM1602 . 13 3.4.2 液晶显示电路 . 14 3.5 键盘输入模块 . 14 3.5.1 独立式未编码键盘接口 . 15 4软件设计 . 16 4.1 系统总体流程 . 16 4.2 数据采集模块 . 17 4.2.1 模拟电压模块 . 17 4.2.2 温度采集模块 . 18 4.3 键盘输入模块 . 20 4.4 液晶显示模块 . 22 4.5 USB模块 . 23 5 结论 . 26 参考文献 . 27 1 引言 1.1 数据采集器 数据采集系统是将现场采集

11、到的数据进行处理、传输、储存等操作的设备，它通过各种传感器采集信号并把信号转换为计算机可以识别的数字信号， 再送入计算机并进行记录或打印。系统一般由数据输入、数据储存及管理、数据处理、数据输出等几部分组成。数据采集是信息科学的一个重要分支，研究信息数据的采集、储存、处理以及控制等，在雷达、通信、水声、遥感、地址勘测、振动工程 、无损检测、语音处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等领域有着广泛的应用 1。 1.2 数据采集的现状 20 世纪 90 年代至今，在国际上技术领先的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域得到广泛应用。 由于集成电路制造技术的不断进步，出

12、现了高性能、高可靠性的单片机数据采集系统。目前有的产品精度已达 16 位，采集速度每秒可达几十万次。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用，数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结 合系统编程，就可扩展或修改，迅速组成一个新的系统。 并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展，典型系统有VXI 总线系统， PCI、 PXI 总线系统，已达到 32位总线宽度，采样频率可以达到100 百万次采样 /秒。由于采用了高密度、屏蔽型、针孔式的连接器和卡式模块，可以充分保证其稳定性和可靠性。虽然其昂贵的价格是阻碍它在自动化领域

13、普及的一个重要因素，但并行总线系统已经在军事等领域取得了成功的应用。串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断提高。数据采集系统的物理层通信，由于采用 RS-485 双绞线、电力载波，无限和光纤，所以其技术得到了不断发展和完善，在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用 2。由于互联网的普及，基于网络的数据采集系统，不仅能进行远程操作与控制，而且可以把数据采集结果通过网络显示在世界各地的 WEB 浏览器中，实现了数据采集和测试系统的资源和数据共享，大大拓展了数据采集系统的空间。 1.3 USB 数据采集器的优点 通用串行总线（ USB）是一种新的接口技术，它基于通

14、用互联技术 ,实现简单的快速连接 ,达到方便用户、降低成本的目的。它可以为外设提供电源而不像普通的使用串 、并口的设备需要单独得供电系统。另外快速是 USB 技术的突出特点之一 ,USB 的最高传输率可达 12Mb/s 比串口快 100 倍。此外它还具有即插即用 ,支持热插拔 ,低功耗 ,低成本的特有优点 ,从而实现了主机和采集系统数据通信的可靠性和快速性。 Usb 数据采集器因其安装简单、便于携带、成本低廉、工作高效，抗干扰能力强，适用范围广，易于扩展，已经成为现代数据采集的发展趋势，在数据采集方面得到广泛的应用。 2 总体设计 2.1 系统设计要求 本课题设计一个基于单片机的 USB数据采

15、集系统，能采集并显示模拟和数字信号，并且能将采集 的数据通过 USB接口传输到 PC机。系统以单片机为核心，通过 USB与 PC机数据通信，要求： （ 1）能采集 0-5V模拟电压和数字信号； （ 2）具有人机接口能显示采集的数据和状态； （ 3）模拟电压分辨率 10毫伏以上，满量程相对误差 1%。 2.2 设计思路 本系统利用 C8051F020 作为 MCU 芯片 , CH375 作为 USB 芯片， DS18B20 作为温度传感器， LCM1602 作为液晶显示，电路能采集数据并传输到 PC 机。硬件电路由数据采集模块、 MCU 模块、 USB 模块、液晶显示模块、键盘输入模块组成。单片

16、机软件程序主要是完 成采集、传输、显示等功能 ,采用模块化结构设计 ,利用C语言和汇编语言编程实现。 2.3 总体设计方案 M CU 液晶显示 U SB 键盘输入 A D C 传感器 PC 机 传感器 图 2-1 系统结构图 本设计 结构图如图 2-1 所示， 系统由 数据采集模块、 MCU 模块、 USB 模块、液晶显示模块、键盘输入模块五大部分组成 。首先通过传感器采集信号，经过MCU 处理后 ,通过 USB 主控芯片转换为 USB 数据格式 ,然后送入 PC 机对信号进行分析处理， 键盘输入可以控制系统的工作状态，向系统输入数据， 液晶显示模块能显示采集的数据和状态。此方案结构简单、安装

17、方便、工作 效率高、抗干扰能力强、成本低廉，有较好的应用前景。 3 硬件设计 本系统硬件主要由数据采集模块、 MCU 模块、 USB 模块、液晶显示模块、键盘输入模块五大部分组成。 3.1 USB 模块 USB 模块主要用于将采集到的数据传输到 PC 机，系统采用 CH375 作为 USB接口芯片。 3.1.1 CH375 CH375 是一个 USB 总线的通用接口芯片，支持 HOST 主机方式和 SLAVE 设备方式。在本地端， CH375 具有 8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机 /DSP/MCU 等控制器的系统总线上。在 USB主机方式下，CH375

18、还提供了串行通信方式，通过串行输入、串行输出和中断输出与单片机/DSP/MCU 等相连接。 CH375 的 USB 主机方式支持各种常用的 USB 全速设备，外部单片机 /DSP/MCU 可以通过 CH375 按照相应的 USB 协议与 USB 设备通信。 CH375 芯片内部集成了 PLL 倍频器、主从 USB 接口 SIE、数据缓冲区、被动并行接口、异步串行接口、命令解释器、控制传输的协议处理器、通用的固件程序等 3。 C8051C H 375 U S B 设备 图 3-1 CH375 工作原理图 如图 3-1 所示，当 RD#为高电平并且 CS#和 WR#及 AO 都为低电平时， D7-

19、D0上的数据被写入 CH375 芯片中；当 WR#为高电平并且 CS#和 RD#及 AO 都为低电平时， CH375 中的数据通过 D7-D0 输出；当 RD#为高电平并且 CS#和 WR#都为低电平，而 AO 为高电平时， D7-D0上的数据被作为命令码写入 CH375 芯片中 4。 3.1.2 USB 接口电路 CH375 芯片挂接到 C8051FO20 单片机上，将单片机的外部存储器接口配置为复用方式，并使用低端口。在复用方式下，单片机的数据总线和地址总线的低 8位共享相同的端口引 脚 5。 R11KL1L E DD0D1D2D3D4D5D6D7A0V C CC2C A P0. 47u

20、FC A PC1C A PG N DG N DX112 M H ZV39T X D5G N D12G N D23V C C28D015D217D419D621D722A046R D #56W R #55CS72I N T #72R X D6A C T #24D116D318D520X014X113R S T25R S T 12R S T #26U D +10U D -11U2C H 3 75V C C1234P 1 U S B G N DC40. 1uFC30. 01u FG N DV C C+C 1310 0u F+C 14R22G N DG N D V C CG N DM O N E NA

21、 G N DV D DAVP 3.153P 3.252P 3.351P 3.450P 3.549P 3.648P 3.747P 3.054X T A L26G N DX T A L 227V D DA V +V B E F86A046RD56WR55CS72P 1.172M O N E N83A G N DR S T5U1C 805 1F 020C 13C A PC 14C A PA G N D A G N DR 1111 KR 1010 0K+3RESETE N DX 1011 .05 9C 1320 uFC 1420 uFE N DD 10L E DG N DR 1533 0+3R 163

22、KA G N DG N D图 3-2 C8051F020 与 CH375 接口电路图 如图 3-2 所示，单片机数据口 P3 0-P3 7 与 CH375 的 8 位双向数据总线D7-D0相连；地址输人线 AO 与 CH375 的 A0 脚相连，低电平时 CH375 选择数据端口可以读写数据，高电平时选择命令端口可以写入命令；读选通输出引脚 RD 和写选通输出引脚 WR 与 CH375 的 RD#、 WR#脚相连；片选信号 CS 与 CH375 的 CS 脚相连，低电平时选通； P1.1 引脚与 CH375 的 INT#脚相连，低电平为中断请求有效。 CH375 的 TXD 引脚接地，处于并口工作方式 。 3.2 MCU 模块 MCU 模块主要对采集到的信号进行处理，系统采用 Cygnal 公司推出的一种新型的 SOC 型 8 位单片机 C8051F020。 3.2.1 C8051F020 C8051F020 是完全集成的混合信号系统级 MCU 芯片，具有 64 个数字 I/O 引